Митотическое веретено

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Mitotic spindle in budding yeast.svg

Митотическое веретено — это биполярная волокнистая структура, состоящая в основном из микротрубочек и белков, ассоциированных с микротрубочками. В среднем веретено содержит 108 молекул тубулина. Однако, не весь тубулин клетки входит в состав веретена. Нити веретена подразделяются на две группы в зависимости от их прикрепления к другим клеточным структурам: полюсные нити, в большинстве веретён наиболее многочисленные, отходят от обоих полюсов веретена и идут по направлению к экватору, а кинетохорные нити прикреплены к центромере каждой хроматиды и идут к полюсам клетки.

Митотическое веретено: функции[править | править код]

Функционирование веретена в митозе зависит от динамического равновесия между микротрубочками веретена и пулом растворимых молекул тубулина (Inoue, 1967; Bajer, 1972; Salmon, 1975).

Такое динамическое равновесие можно продемонстрировать на митотических клетках в условиях, вызывающих обратимый сдвиг равновесия между полимеризацией и деполимеризацией табулина (поведение волокон веретена можно наблюдать непосредственно в живых клетках при освещении поляризованным светом, так как эти волокна обладают двойным лучепреломлением).

Если митотические клетки обработать тяжелой водой (D2O) или таксолом — агентами, подавляющими разборку микротрубочек, то нити веретена удлиняются. Такое стабилизированное веретено не может тянуть хромосомы, и митоз останавливается. С другой стороны, митоз блокируется и в том случае, если нити веретена обратимо разрушить одним из трёх воздействий, подавляющих сборку табулина в микротрубочки, — воздействием колхицина, низкой температуры или высокого гидростатического давления. Тот факт, что ни стабилизированные, ни деполимеризованные микротрубочки не способны перемещать хромосомы, говорит о том, что для правильного функционирования веретена необходимо тонкое равновесие между сборкой и разборкой.

Митотическое веретено: сборка[править | править код]

Сборка микротрубочек вначале происходит вне ядра. В большинстве животных клеток область, где впервые образуется веретено, содержит центриоли . Каждая пара центриолей в митозе становится частью митотического центра, от которого лучами расходятся микротрубочки (фигура «звезда»).

Между тем у многих организмов, в том числе у высших растений, функционально полноценное веретено образуется при полном отсутствии центриолей. Кроме того, если у живой клетки разрушить лазерным микролучом центриоли, то митотическое веретено продолжает нормально функционировать.

По-видимому, центриоли не являются структурами, необходимыми для сборки микротрубочек веретена; но если центриоли в клетке есть, то они играют роль фокусов, в которых сходятся микротрубочки.

На самом деле центром организации микротрубочек веретена является аморфная область слабо окрашивающегося материала, видимого в электронный микроскоп на полюсах веретена. Если выделить эти митотические центры из животной клетки и использовать их в качестве «затравки» для сборки микротрубочек in vitro, то полярные микротрубочки звезды будут расти не из самих центриолей, а из окружающего их аморфного материала.

Митотическое веретено: роль в митозе[править | править код]

С функционированием митотического веретена связана только часть событий в митозе (Matsui, 1972). В клетках млекопитающих в присутствии колхицина (вещества, разрушающего всемикротрубочки в клетке) могут происходить лишь ранние события митоза: каждая хромосома остаётся в виде пары конденсированных сестринских хроматид, так как колхицин подавляет зависимое от микротрубочек выстраивание хромосом и расхождение их к противоположным полюсам. Однако, в клетках морского ежа поведение хроматина и ядерной оболочки после обработки колхицином не изменяется.

Митоз: движение хромосом в анафазе[править | править код]

Что удерживает хроматиды вместе до начала анафазы? Есть предположение, что последовательность ДНК, определяющая центромеру , должна кодировать специальный сигнал, блокирующий её собственную репликацию в фазе S. В таком случае нереплицированная ДНК центромеры не позволяла бы хроматидам расходиться, а запуск её репликации приводил бы в конце концов к расхождению хроматид в анафазе.

Расхождение хроматид в анафазе это результат двух независимых процессов, происходящих вмитотическом веретене:

1) перемещения кинетохорных нитей, тянущих связанные с ними хроматиды к полюсам, и

2) происходящего чуть позже удлинения и скольжения полюсных нитей в каждом полуверетене, вызывающего расхождение полюсов митотического веретена в противоположных направлениях (Ris, 1949; Kuriyama, 1981; Euteneuer, 1981; Pickett-Heaps, 1978).

Эти два процесса отличаются по чувствительности к ряду веществ. Для изучения молекулярныхмеханизмов анафазного движения хромосом митотическую клетку обрабатывают разбавленным раствором детергента, в результате чего её плазматическая мембрана становится проницаемой для макромолекул. Например, малые дозы хлоралгидрата предотвращают удлинение и движение полюсных нитей, но не влияют на кинетохорные нити и на движение хроматид к полюсам. Кроме того, у разных организмов относительная роль каждого из этих процессов в конечном разделении двух наборов хромосом может сильно различаться. В некоторых клетках расстояние между полюсами на протяжении всей анафазы почти неизменно, а в других — веретено настолько удлиняется, что расстояние между полюсами увеличивается в 15 раз.

Подсчитано, что для передвижения одной хроматиды в анафазе требуется всего 20 молекул АТР.

Митотическое веретено: расхождение полюсов в анафазе[править | править код]

Роль расхождения полюсов митотического веретена в механизме анафазного движения хромосом изучали путём реконструкции 3-мерной структуры митотического веретена. По электронным микрофотографиям серийных ультратонких срезов было показано, что полюсные микротрубочки обоих полуверетен частично перекрываются в области экватора. В период анафазы эти две группы антипараллельных микротрубочек скользят в противоположные стороны в области перекрывания и, вероятно, удлиняются за счёт присоединения новых субъединиц к их свободным концам

Mitotic spindle in animal cell (jpg).jpg

По-видимому, расхождение полюсов митотического веретена происходит благодаря этим двум процессам — скольжению и росту микротрубочек.

Поскольку микротрубочки обладают выраженной полярностью и с плюс-конца растут быстрее, чем с минус-конца, то, как и следовало ожидать, нити веретена, связанные с полюсом, обладают той же полярностью, что и микротрубочки, организуемые клеточным центром в интерфазе: все полюсные микротрубочки прикреплены своими минус-концами к полюсам, где они, по-видимому, закреплены и защищены от деполимеризации. Это означает, что свободные плюс-концы полюсных микротрубочек находятся в области перекрывания у экватора веретена, и, как полагают, именно на этом быстро растущем конце происходит удлинение микротрубочек в анафазе путём присоединения молекул тубулина.

По-видимому, сила, раздвигающая полюсы, генерируется динеиноподобной АТРазой, а хромосомы движутся к полюсу с помощью другого механизма (Cande, 1978; Pratt, 1980; Hyams, 1982). Белок динеин генерирует силу за счёт гидролиза АТР. Ряд ингибиторов динеиновой АТРазы блокируют расхождение полюсов в анафазе в неочищенных препаратах митотического веретена. Кроме того, в некоторых веретенах обнаружены мостики между соседними микротрубочками, подобные динеиновым мостикам между микротрубочками ресничек.

Динеин митотического веретена[править | править код]

Под микроскопом

По-видимому, динеин митотического веретена отличается от динеина, который вызывает движение ресничек. Во-первых, взаимодействующие микротрубочки в ресничках расположены параллельно друг другу и обладают одинаковой полярностью, тогда как микротрубочки, отходящие от разных полюсов веретена, обладают противоположной полярностью. Во-вторых, антитела, связывающиеся с динеином ресничек не окрашивают митотическое веретено. Видимо, динеин митотического веретена относится к цитоплазматическим динеинам.